Uma das principais rotas para obtenção de materiais híbridos orgânico-inorgânicos, que podem ser utilizados na imobilização lipases, é o processo sol gel. Basicamente, o processo sol-gel de síntese envolve a formação de uma rede polimérica inorgânica por reações de gelificação em temperaturas brandas (ALFAYA; KUBOTA, 2002). Nesse tipo de reação, ocorre a transição de um líquido para um sólido, sendo que os reagentes precursores da rede inorgânica são geralmente alcóxidos de silício, ou metais como alumínio, titânio e zircônio, que se encontram inicialmente dissolvidos na fase líquida. Durante o processo de gelificação, há formação do estado sol, caracterizado pela presença de oligômeros que levam a formação de cadeias de dimensões coloidais e partículas dispersas. O processo evolui para um estado gel, resultando na constituição de uma rede tridimensional entrelaçada e macroscopicamente observável (BENVENUTTI et al. 2009).
A obtenção de materiais orgânico-inorgânicos via processo sol gel é mais amplamente estudada e tecnologicamente aplicada utilizando alcóxidos de silício como precursores da rede inorgânica e organoalcoxisilanos para compor a fase orgânica. Durante a etapa de gelificação e utilizando apenas o precursor inorgânico do tipo
ortossilicato de tetra-alquila (formação de sílica pura), a química do processo sol gel será descrita por duas reações principais: (i) hidrólise (Eq. 1) e (ii) condensação (Eq. 2a e 2b)(BENVENUTTI et al. 2009).
(i) Hidrólise
Nesse processo, ocorre a hidrólise do precursor inorgânico, por exemplo, grupos alcóxidos de silício são hidrolisados, resultando na formação de grupos silanóis (Si-OH) e álcool (R = grupo metil, etil);
(ii) Condensação
Esta etapa do processo envolve a policondensação do grupo silanóis, em que há inicialmente a formação do estado sol, sendo que a continuação da reação transita para o estado gel, que confere um enrijecimento na estrutura tridimensional do polímero inorgânico. As Equações 1 e 2 se referem à obtenção de sílica pura, onde se utiliza apenas o precursor inorgânico no processo de gelificação.
Como observa Benvenutti et al. (2009), materiais híbridos orgânico- inorgânicos a base de sílica serão obtidos via sol gel a partir da adição de um componente orgânico no meio de reação, aumentando a complexidade do processo, que ainda pode ser bem controlado, uma vez que o precursor inorgânico apresenta uma cinética lenta nas reações de gelificação.
Nesse caso, um híbrido orgânico-inorgânico pode ser obtido utilizando organossilanos polimerizáveis do tipo R’4-xSi(OR)x como precursores do
componente orgânico, em que um grupo orgânico está ligado ao átomo de silício formando uma ligação Si-C hidroliticamente estável, devido à baixa acidez de Lewis do silício (ALFAYA; KUBOTA, 2002, BENVENUTTI et al. 2009). Desse modo, moléculas do tipo R’4-xSi(OR)x ou YR’4-xSi(OR)x, em que x é geralmente um grupo
metoxi ou etoxi e R’ representa uma cadeia orgânica contendo ou não um grupo funcional Y (-NH2, Cl, I, epóxi, SH), podem ser incorporadas na matriz inorgânica,
formando uma classe de híbridos cujo componente orgânico é covalentemente ancorado na superfície da fase inorgânica (ALFAYA; KUBOTA, 2002, BENVENUTTI et al. 2009).
Uma forma de preparar tais materiais a base de sílica, funcionalizados via processo sol gel, envolve a reação de tetraetilortosilicato (TEOS) com organosilanos do tipo YR’4-xSi(OR)x (EL-NAHHAL; EL-ASHGAR, 2007). Nesse tipo de reação, o
TEOS é utilizado como precursor da rede inorgânica, enquanto organosilanos formam fases quimicamente ligadas na superfície da sílica. Geralmente, a reação é realizada em meio alcoólico, na presença de um catalisador ácido ou básico, em que os processos de hidrólise e policondensação ocorrem simultaneamente. As características finais do material híbrido são influenciadas pelo pH e tipo de catalisador utilizado, temperatura de gelificação, razão entre a quantidade do componente inorgânico e orgânico utilizado na síntese, entre outros (BENVENUTTI et al. 2009).
Utilizando o processo sol gel, suportes hidrofóbicos podem ser preparados a partir de organosilanos contendo em sua cadeia orgânica grupos hidrofóbicos alifáticos do tipo octil, octadecil, ou aromáticos do tipo fenil, entre outros. Esses materiais geram superfícies largamente hidrofóbicas no suporte que podem interagir com moléculas de lipases formando uma monocamada de enzimas estabilizadas por forças entrópicas. A Figura 10 ilustra tipos de suportes hidrofobicamente ativados com grupos alquila ou arila.
Figura 10. Representação esquemática da preparação de superfícies hidrofóbicas a base de sílica contendo grupos (a) octil e (b) fenil pendentes através de processo sol gel.
O uso desse tipo de suporte é preferível para criar uma interface hidrofóbica, onde algumas lipases podem simular um mecanismo de ativação interfacial (DENG et al. 2004).
Da mesma forma, utilizando o processo sol gel, sílicas organofuncionalizadas podem ser preparadas visando à imobilização covalente de lipases. Nesse caso, é bastante recomendável o uso de organosilanos contendo grupos do tipo ɣ-cloropropil, ɣ-glicidoxi, ɣ-aminopropil, entre outros, que podem se ligar diretamente às lipases. Alternativamente, os organosilanos podem reagir com moléculas de interesse, como o glutaraldeído, formando um novo agente sililante, que numa etapa subseqüente sofre uma co-polimerização com TEOS, resultado em polisiloxisano funcionalizado contendo grupos funcionais específicos para formar ligações covalentes com os grupos residuais das enzimas.
Geralmente, agentes sililantes do tipo 3-
glicidoxipropiltrimetoxisilano, 3-cloropropiltrimetoxisilano,
mercaptopropiltrimetoxisilano ou 3-amipropiltrimetoxisilano são utilizados na reação com TEOS através de uma policondensação hidrolítica, resultando em um material suporte contendo uma fase orgânica pendente com grupo funcional reativo (EL- NAHHAL; EL-ASHGAR, 2007). A Figura 11 mostra um esquema de preparações de suportes ativados via processo sol gel contendo grupos funcionais reativos.
Figura 11. Representação esquemática de preparações de suportes ativados via processo sol gel para